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VESUVIORischio vulcanico e sfide per l’ingegneria
e la geofisica finalizzate alla sicurezza
ed allo sviluppo del territorio
Prof. Ing. Flavio Dobran
GVES, Napoli
www.westnet.com/~dobran
Università di Napoli Federico II, 15 gennaio 2009
20.000 anni
di eruzioni
pliniane e
subpliniane
300 km3 di
materiale
eruttato
Depositi della eruzione
pliniana di Avellino,
c. 1700 a.C.Mastrolorenzo et al. (2006)
Depositi della eruzionepliniana di Pompei, 79 d.C.(Sigurdsson et al., 1985)
Depositi di caduta (cm)
Rosso – pomice grigia
Blu – pomice bianca
Depositi di surges e flussi piroclastici (cm)
Rosso – flussi piroclastici
Scelte per il futuro• Aspettare l’eruzione e sperare che 1 millionedi persone possa essere evacuato in 1-2 giorniPiano di evacuazione del Vesuvio:
fallimento scientifico, sociale e tecnologico
• Spingere al declino socio-economico la zona Intorno al Vesuvio
dilagare della criminalità ed esodo involontario
• Costruire habitats sostenibili per i vesuvianiVESUVIUS 2000
superare incommensurabili barriere
Piano di Evacuazione1. Promosso nel governo italiano nel 1995 dai geologi
(per bloccare lo sviluppo del progetto VESUVIUS 2000)
2. L’eruzione possa essere prevista almeno 3 settimane in anticipo(basata su precursori non specificati)
3. 600.000 persone entro 7 km dal Vesuvio saranno evacuate in maniera ordinata durante frequenti terremoti (i sistemi di trasporto e le vie difuga resteranno funzionanti)
4. Gli evacuati saranno dispersi per tutta l’Italia (nelle regioni ospitanti non ci saranno effetti sociali ed economici)
5. L’abbandonata area vesuviana sarà protetta dai saccheggiatori edagli infiltrati (cosa sarà protetto e per quanto tempo non èspecificato)
6. La popolazione a distanza superiore a 7 km (inclusa Napoli) non avrà conseguenze dalla eruzione e dalla massiccia deportazione dei vesuviani)
• Il Piano di Evacuazione promuove l’ignoranzascientifica, sociale e tecnologica nelle istituzioni italiane e nella popolazioneesposta al rischio
• Il controllo gerarchico dall’alto al bassodell’emergenza è difettoso(ricordiamo l’uragano Katrina, lo tsunami di Sumatra, le colatedi fango di Sarno del 1998, attuale situazione rifiuti in Campania)
• La popolazione vesuviana può oggi solopregare San Gennaro per un aiuto
• Le inizative dovrebbero mirare a proteggere le vite,
le proprietà, e mantenere continuità delle operazioni.
Questo si consegue tramite la conoscenza condivisa.
• Un’adeguata gestione del rischio richiede:
Rivelazione del rischio
Ricognizione ed interpretazione del rischio
Comunicazione del rischio a molteplici organizzazioni
Autorganizzazione e mobilitazione della comunità per
ridurre il rischio e rispondere al pericolo
• Senza una ben definita e funzionante infrastruttura
informatica sostenuta da appropriata tecnologia,
una risposta collettiva della comunità
esposta al rischio fallirà
Obiettivi di VESUVIUS 2000• Combinare il pericolo con le opportunità permaneggiare il rischio vulcanico. Considera la Matrice del Rischio:
OPPORTUNITÀ
SI NO
SI
PERICOLO
NOINDIFFERENZA
MEGLIO SICURO CHE AFFLITTO
FUNGIBILITÀ
NON SPRECARENON VOLERE
Costruire nuovi habitats per i vesuviani
zona di esclusione (< 5 km raggio)
limitata protezione (5-10 km raggio)
habitats sostenibile (> 10 km raggio)
bisogna che gli ingegneri conoscano:
parametri per disegnare complessiresidenziali, commerciali, industrialie sistemi infrastrutturali
procedure di rifornimento e uso di materiali,energia, informazione, servizi e prodotti
misure di protezione dai terremoti, cadutadi cenere, flussi piroclastici, blocchi balistici
• Utilizzo di paradigmi associati al disegno di centri urbani Sostenibilità
basilari bisogni umani (cibo, acqua, spazio) diritti socio-politici assistenza sanitaria educazione equa distribuzione delle risorse lavoro abitazione senso di appartenenza limitato spazio geografico e delle risorse autoregolazione del territorio gestibilità territoriale
Impostare sistema di sistemi
bilancia attività locali e centralizzate
distribuisci trasporti, servizi, ricreazioni,affari, complessi residenziali attraverso interconnessi clusters
decidi livelli di interazione tra
componenti biologiche (attività umane,vegetazione, microrganismi)
componenti sociali (idee, attività collettive,organizzazione degli abitanti)
componenti di macchinari (attrezzaturedi supporto alla vita)
• Utilizzo degli strumenti per disegnare systemi
Analisi probabilistica del rischio Simulatore Vulcanico Globale Zonazione Sismica Sistema Geografico di Informazione Econometria Pianificazione urbana
meccanica strutturale paradigmi per disegnare sistemi sostenibili
• Coinvolgi la popolazione come coautori• Promuovi educazione della cultura della sicurezza• Fornisci incentivi economici per sviluppare la zona in comunità prospere
VESUVIUS 2000Studio di fattibilità
interdisciplinare
per l’area
vesuviana
STRUMENTI PER DISEGNARE SISTEMI
Analisi probabilistica del rischio
• L’analisi del rischio risponde alle domande
Che cosa puo accadere? Quanto verosimile è che accadrà? Se accadrà, quali sono le conseguenze?
• Analisi del rischio comprende
Tutti i possibili scenari Si Verosimiglianza di ogni scenario Li Conseguenza del iimo scenario Xi
R = (Si,Li,Xi)completo
• Analisi Quantitativa del Rischio (QRA)
• Specificazione delle preferenze
• Massimizzazione di utilità delle decisioni di
( ) ( / ) ( / @ ) ( / )
1
i i i j j i
mu d P X d P X d A P A d
j
= = ∑
=
Teoria razionaledelle decisioni
• Quantificazione di probabilitàdi scenari sismici, vulcanici, socio-economici, e dipianificazione urbana
• Specificazione dellepreferenze(opzioni e giudizi di valori)
• Sviluppo della teoria di utilità(prendere decizioni nelle incertezze)
“il valore di un articolo non puoessere basato sul suo prezzo,ma in base alla sua utilità ”(Daniel Bernoulli, 1731)
TEOREMA DI BAYES
VEROSOMIGLIANZE
PROVE EVIDENTI
12..
CONSEGUENZE
SCENARI
OPZIONITEORIA DELLADECISIONE
QRA
GIUDIZIO DEI VALORI
DECISIONE(I)
COMUNICAZIONE ESECUZIONE
Esempio: Evacuazione dell’area vesuviana
ERUZIONE?
PICCOLA Ss
MEDIA Sm
GRANDE Sl
NO ERUZIONE~E
ERUZIONEE
NO ERUZIONE~E
ERUZIONEE
NO ERUZIONE~E
NO ERUZIONE~E
NO ERUZIONE~E
ERUZIONEE
ERUZIONEE
ERUZIONEE
EVACUAZIONED
EVACUZIONED
NO EVACUAZIONE~D
NO EVACUAZIONE~D
NODO DI INCERTEZZA
NODO DI DECISIONE
(a) Eventi E e ~E formano una partizione: E ∩ ~E = 0, E U ~E ‹ ΩP(Sl) = P(Sl/E)P(E) + P(Sl/~E)P(~E) P(Sm) = P(Sm/E)P(E) + P(Sm/~E)P(~E)
(b) Probabilità condizionale:P(E/Sl) = P(Sl/E)P(E) / P(Sl), P(~E/Sl) = P(Sl/~E)P(~E) / P(Sl) P(E/Sm) =P(Sm/E)P(E) / P(Sm), P(~E/Sm) = P(Sm/~E)P(~E) / P(Sm)
(a)+ (b) = Teorema di Bayes
(c) Indipendenza degli eventiP(E&D) = P(E) P(D)
(d) Utilità del costo (conseguenze) della decisione di evacuareu(C) = P(C/E&D)P(E&D)+P(C/~E&~D)P(~E&~D)+ P(C/~E&D)P(~E&D)+P(C/E&~D)P(E&~D)
P(E&D) = P(E&D/Sl)P(Sl) + P(E&D/Sm)P(Sm) + P(E&D/Ss)P(Ss) P(E&D/Sl) = P(E/D&Sl)P(D/Sl), P(E/Sl)P(Sl)=P(Sl/E)P(E), …P(D/Sl) = 1, P(D/Sm) = 1, P(D/Ss) = 0 (affidati alle decisioni)P(D/Sl) = 0, P(S/Sm) = 0, P(D/Ss) = 0 (ignora le decisioni)k ≡ [P(C/E&~D)-P(C/E&D)]/[P(C/~E&D)-P(C/~E&~D)] > 0 (O(1))
u(C)affidati alle decisioni < u(C)ignora decisioni
VEROSIMIGLI-= P(Sl/E)+P(Sm/E) > P(~E) ANZA P/Sl/~E)+P(Sm/~E) k P(E)
odds = P(E)/P(~E) (vantaggio di favorevoli a non favorevoli risultati)
P(E) =1–exp[-6.534τ exp(-1.18 VEI)]
τ = 1/52 yr, VEI = 4 (subpliniana)
LR > 103 (evacuazione 1 settimana)
τ = 1 yr, VEI = 4 (subpliniana)
LR > 10 (allarme1 mese)
τ = 100 yr, VEI = 4 (subpliniana)
LR > 10-1 (prevenzione 100 anni)
LRPRATICALE < 5 (PREDIZIONE DI 1 GIORNODI PIOGGIA)
• Non possiamo evacuare in breve tempo senza sostenere enormecosto, almeno se non abbiamoprecursori affidabili
Vulnerabilità delle strutture
Carichi sulle strutture
Risposta (dinamica)strutturale
Analisi della incertezza
Sicurezza e servizioa 5, 10, 20, 50 km
Effetto della deformazionesul carico
Vento (regionale, dalla eruzione)Terremoti (regionali e vulcanici)Caduta di cenere (diametro < 1 cm)Flussi piroclastici, fango e lavaImpatti balistici (d = 10 cm – 1 m)Fuoco e materiali pericolosi
Produzione delle procedureper la costruzione delle strutture
residenziali, commerciali e industrialiintorno al Vesuvio
Contributi necessari:
• geologici, geotecnici, e caratterizzazione sismicadei luoghi intorno al Vesuvio (scenari e verosimiglianze)
• modellizzazione fisica delle eruzioni (scenari e verosimiglianze)
• architetti (forma e funzionalità delle strutture)
• pianificazione urbana (distribuzione delle strutture)
• procedure per disegnare edifici (analisi dinamica utilizzando metodi di forza ed energia)
Analisi del pericolo sismico
• Utilizzo delle probabilità (metodo tradizionale) tanti parametri non sono ben definiti
(Gutenberg-Richter tipo di modelli)
i risultati dimostrano grande incertezza per le regionicon lungo tempo di quiescenza
questo metodo non è utile per disegnare struttureintorno al Vesuvio
Zonazione Sismica• Utilizzo deterministico basato su scenari
(Klügel Mualchin & Panza, 2006, Peresan, Zuccolo, Vaccari & Panza, 2007)
determina scenari di terremoti per considerati luoghi
identifica zone sismogeniche, faglie
identifica maggiori terremoti per ogni sorgente
identifica condizioni geologiche, geotecniche, geofisiche dei siti
stabilisci relazioni di attenuazione per la propagazione dei segnali sismici
determina verosimiglianze degli scenari
stabilisci le incertezze dei parametri della modellizzazione
determina parametri per analisi strutturale
spettro del movimento del suolo dei luoghi di interesse
spettro della velocità del suolo dei luoghi di interesse
spettro della accelerazione del suolo dei luoghi di interesse
Simulatore Vulcanico GlobaleDobran (1993, 1994, 2001, 2006)
• Modello fisico-matematico-computerizzatodel sistema vulcanico
• Determina scenari e loro verosimiglianze
Dinamica della camera magmatica Apertura del sistema vulcanico Dinamica dei flussi nel condotto vulcanico Dispersione piroclastica nell’atmosfera Caduta di cenere dalla colonna eruttiva Propagazione di flussi piroclastici, lava e fango Dispersione di blocchi balistici
• Decomposizione del vulcano
camera magmatica condotto suolo e rocce atmosfera
• 3-dimensionale transiente multifase non equlibrio euleriano lagrangiano(balistica)
• Implementazionenumerica
implicito macchine parallele
Dinamica della camera magmatica
Aumento della pressione e sussidio
rifornimento di magma scioglimento e cristallizzazione di magma differenziazione (cambiamento di composizione)
Deformazione visco-plastica del serbatoio magmatico
Deformazione termo-visco-elastico delle rocce circonstanti
Simulazione di 20.000 anni della attivitàvulcanica
Eruzione pliniana
Eruzionesubpliniana
Il Vesuvio si trova qui oggi
79 d.C.
Prossima eruzione:
Questo o prossimo secolo: pliniana o subpliniana
Dinamica del condotto vulcanico
Condotto aperto quasi-stazionario flusso
Dispersione piroclastica(modello bidimensionale di non equilibrio)
• Condizioni nella bocca: modellizzazionedella camera magmatica e flusso nel condotto vulcanico
• Tasso della eruzione pliniana: 108 kg/s
• Flussi piroclastici raggiungono 7 km in 5 minuti
• 3-7 km3 di materiale erutta in 20 ore
• persone entro 10 km periranno
• persone entro 50 km saranno influenzate
• Napoli, la prossima Pompei?
20 s
120 s
300 s
7 km
Regimi di flusso vicino al cratere e ilflusso piroclastico
Oscillazioni di massa del flussopiroclastico a diverse distanze dal cratere
Sistema Geografico di Informazione
Analizza la pianura campana per
dinamica della popolazione proprietà (residenziale, commerciale, industriale) servizi (energia, acqua, coltivazione) infrastrutture ambiente (ricreazione, rifiuti & disposizione) identifica aree per habitats futuri
Produci mappe topografiche per simulazioni
con importanti esistenti strutture sovrapposte con importante strutture sovrapposte
Problemi di Grande Sfida• Quali sono i paradigmi del disegno sostenibile?
• Come i requisiti della sicurezza limitano opzioni in altri settori?
• La difesa dal vulcano richiede i nuovi paradigmiper infrastrutture urbane?
• È la difesa del paese effettuabile contro tuttigli scenari concepibili?
• Quali metodi di rifornimento di energia e digestione dei rifiuti sono richiesti?
• Quale tipi di habitats (centralizzato o decentralizzato - clusters)?
• Come questi habitats interagiranno conNapoli e dintorni?
• Quali patrimoni culturali si potrannoproteggere e come proteggerli?
• Cosa potrà rimanere entro la zona diesclusione?
• Come collaborare effettivamente con politici,professionisti e la popolazione?
Verso la sicurezza e la prosperità
VESUVIUS 2000
Lavori rilevanti:
Dobran, F., 1991. Theory of Structured Multiphase Mixtures. Springer-Verlag (Springer), New York.
Dobran, F., 1993. Global Volcanic Simulation of Vesuvius. Giardini, Pisa.
VESUVIUS 2000, 1994. GVES, Napoli.
Dobran, F. 1994. Prospects for the global volcanic simulation of Vesuvius. Accademia Nazionale dei Lincei, 112: 197-209.
Dobran, F., 2001. Volcanic Processes: Mechanisms in Material Transport. Kluwer Academic/Plenum Publishers (Springer), New York.
Dobran, F., 2006. VESUVIUS 2000: Toward security and prosperity under the shadow of Vesuvius. In F. Dobran ed. Vesuvius: Education, Security and Prosperity. Elsevier, Amsterdam, pp. 3-69.
Dobran, F. and Ramos, J.I., 2006. Global volcanic simulation: Physical modeling, numerics and computer implementation. In F. Dobran ed. Vesuvius: Education, Security and Prosperity. Elsevier, Amsterdam, pp. 311-372.
Klugel, J.,-U, Mualchin, L., Panza, G.F., 2006. A scenario-based procedure for seismic risk analysis. Engineering Geology 88: 1-22.
Mastrolorenzo, G., Petrone, P., Pappalardo, L., Sheridan, M.F., 2006. The Avellino 3780-yr-B.P. catastrophe as a worst-case scenario for a future eruption at Vesuvius. PNAS, 103: 4366-4370.
Panza, G.F., Romanelli, F., Vaccari, F., 2001. Seismic wave propagation in laterally heterogeneous anelastic media: Theory and applications to seismic zonation. Advances in Geophysics, 43: 1-95.
Peresan, A., Zuccolo, E., Vaccari, F., Panza, G.F., 2007. Neo-deterministic seismic hazard scenarios for north-eastern Italy. Submiited for publication.
Sigurdsson, Carey, S., Cornell, W., Pescatore, T., 1985. The eruption of Vesuvius in A.D. 79. National Geographic Research, 1: 332-387.